SD на ESP32: VSPI, HSPI и общая шина с дисплеем

Логгер с Uno переехал на ESP32 ради Wi-Fi, и на первом же запуске монитор напечатал знакомое «card init. failed». Карта рабочая — телефон её читает. Модуль исправный, провода перекинуты аккуратно. Виновата привычка: на Uno шина SPI прибита к пинам 11-13 гвоздями, а у ESP32 своя география, и библиотека SD по умолчанию стучится не туда, куда вы воткнули провод. Пока пины скетча не согласованы с проводкой, карта молчит, и никакое переформатирование не поможет.

Здесь раскладываю, где у классического ESP32 живут контроллеры VSPI и HSPI, какие пины они держат по умолчанию, как перебросить линии на другие GPIO и как посадить карту и дисплей на одну шину, чтобы они делили её без драки. Кому при этом мешает чужой CS, почему у дешёвых дисплеев карту душит MISO и какой порядок инициализации спасает — тоже здесь, с моделью шины в симуляторе в середине.

Если модуль microSD ещё не поднимали ни на одной плате, стартуйте с устройства модуля и распиновки SPI — там про стабилизатор AMS1117 и преобразователь уровней. Я же считаю, что карту на Uno вы уже гоняли, и говорю только про ESP32-специфику.

Внутри классического ESP32 (WROOM-32 и родня) сидят четыре SPI-контроллера, но два из них вам недоступны: SPI0 и SPI1 обслуживают внутреннюю флеш-память, из которой загружается скетч. Их линии не выведены на гребёнку, и лезть туда нечем. Для периферии остаются SPI2 и SPI3, и в Arduino-каркасе они ходят под именами HSPI и VSPI. К названиям относитесь как к ярлыкам, а не к паспорту скорости: я видел обсуждения, где человек уверял, что «на HSPI стабильнее», — стабильность задаёт частота, длина проводов и питание, а не слово в константе.

Дефолтные пины VSPI: SCK — GPIO18, MISO — GPIO19, MOSI — GPIO23, CS — GPIO5. У HSPI: SCK — GPIO14, MISO — GPIO12, MOSI — GPIO13, CS — GPIO15. Библиотека SD в каркасе ESP32 поднимает карту именно на VSPI: обычный SD.begin(5) без лишних аргументов работает на 18/19/23. Собрали проводку на этих пинах — вы вообще не заметите, что где-то есть второй контроллер, и это честный вариант по умолчанию. Линию CS при этом дёргает сама библиотека: в скетче вы лишь называете её номер, руками поднимать-опускать сигнал не нужно ни в одном месте кода.

Если пины заняты, любую линию можно перебросить почти на любой выводной GPIO через матрицу коммутации: SPI.begin(sck, miso, mosi, cs) до SD.begin — и шина живёт на новых ногах. Условие честное: переброшенные линии держат высокие частоты хуже заводских, выше 40 МГц начинаются сюрпризы с целостностью сигнала. Для дата-логгера это неважно: карта при старте запрашивает консервативные 4 МГц и больше не просит, так что даже скрученные перемычки на 20 сантиметров живут спокойно.

Экономия здесь настоящая: три линии — SCK, MOSI, MISO — общие, и по ним гоняют и картинку, и файлы. Делят шину не пинами, а временем, и разруливает это линия CS: пока CS карты висит в HIGH, карта глуха к тактам, и дисплей тратит шину сколько влезет. Активное состояние — низкий уровень, поэтому в паузах оба CS обязаны стоять в HIGH, и каждая библиотека поднимает свою линию сама перед begin. А вот два устройства с LOW на CS одновременно — уже не шина, а свалка: байты уйдут обоим, и по MISO ответит тот, чей выходной каскад сильнее. У карты и дисплея эти ответы схлестнутся, и вы получите оба симптома сразу: экран в клеточку и init failed. Я ловил такое на шилде, где CS дисплея оказался прижат к земле перемычкой на самой платке: экран работал, карта — нет, и до сути дошёл только мультиметр.

Частоты у соседей разные, и это нормально, а не конфликт: SD-библиотека на ESP32 стартует карту на консервативных 4 МГц и поднимает скорость сама, когда карта раскрылась, а дисплеи вроде ILI9341 крутят шину на 40 МГц и выше. Шина в каждый момент живёт на одной частоте: дисплейный драйвер перед своей транзакцией выставляет свою скорость, SD-библиотека перед своей — свою. Именно поэтому важен порядок begin: сначала медленная карта, потом шустрый дисплей перенастроит шину под себя, а при обращении к файлам всё вернётся обратно. Нарушите порядок — иногда работает, но вы отдаёте поведение на волю очередности версий библиотек.

Кому в этой компании больнее всего — карте. Дисплей переживает битый байт одной клеточкой на экране, а у файла испорченный сектор — это обрыв содержимого посреди строки. Поэтому проводку делайте короткой, землю сводите в одну точку, и отдельно смотрите на MISO: у большинства TFT-модулей выход MISO уходит в высокоимпедансное состояние, когда TFT_CS поднят, но на дешёвых платках встречаются партии без этого ключа. Такой дисплей держит линию за собой, и ответы карты до контроллера не доезжают — карта жива, просто её не слышно.

Диагноз ставится отключением: поднимите карту с дисплеем, вынутым из макетки. Поднялась — шина в порядке, виноват сосед. Дальше ведите себя по чек-листу диагностики begin и большой сводной проверке — там же про exFAT, просадки питания и длину проводов. И про уровни здесь напомню добрым словом: карта трёхвольтовая, ESP32 тоже, так что модуль без преобразователя уровней на ESP32 уместнее, чем на Uno — разбор в уроке про уровни 3,3 и 5 В.

В модели подёргайте кнопкой и тумблером и сверьте реплики с текстом выше: один активный CS — шина работает, два — конфликт, ноль — свободна. На железе то же самое происходит с миллионами тактов в секунду, но логика совпадает байт в байт, и именно эту логику полезно один раз увидеть руками. Общая шина с картой — не экзотика и не хак: на Uno её же раскладывали в уроке про CS и общую шину с шилдами; на ESP32 сверху добавляются только выбор контроллера и разъехавшиеся частоты.

Граница метода: если дисплей сидит не на SPI, а на параллельной шине 8080 или на I2C, конфликтов по шине нет по определению, зато заняты другие пины — экономия спорная. И если планов две SD-карты, вторую заводите на HSPI: две карты на одном контроллере тоже поднимаются, но отладка двух CS на одной шине отнимает вечер, который я предпочитаю тратить на что-то другое. Кстати, если разница между шинами для вас принципиальна — помните, что на клонах ESP32 с меньшим числом выводов вроде S2 и C3 имена и дефолтные пины другие: сверяйтесь с datasheet конкретной платы, а не с этой таблицей.